Truyền sóng và anten

NGHIÊN CỨU: Mà SỐ ĐỀ TÀI: 01-HV-2009-RD-VT Đề cương KHCN Mục tiêu: Xây dựng chương trình mô phỏng kênh MIMO, chương trình mô phỏng tách tín hiệu trong hệ thống MIMO-V-BLAST, phục vụ công tác nghiên cứu khoa học và đào tạo của Học viện. Nội dung: Tổng quan hệ thống MIMO: Mô hình hệ thống và phân loại Mô hình kênh MIMO. Nghiên cứu MIMO-V-BLAST kết hợp với máy thu đa người dùng. Nghiên cứu các giải thuật tách tín hiệu trong hệ thống MIMO Giải thuật: V-BLAST/ZF Giải thuật: V-BLAST/LLSE Giải thuật: V-BLAST/ZF/MAP. Giải thuật: V-BLAST/LLSE/MAP. Xây dựng chương trình mô phỏng kênh MIMO, và tách sóng MIMO-V-BLAST gồm: V-BLAST/ZF; V-BLAST/LLSE; V-BLAST/ZF/MAP; V-LAST/LLSE/MAP. Kiến nghị ứng dụng chương trình mô phỏng vào nghiên cứu khoa học & đào tạo ở Học viện. Kết quả: Tài liệu khoa học; Mô hình hệ thống-Giải thuật-Chương trình mô phỏng trên đĩa CD; Bài báo khoa học được đăng trên tạp chí hoặc hội nghị khoa học. NỘI DUNG Tổng quan hệ thống MIMO Tổng quan hệ thống MIMO M và M-1 phải được thiết kế để đảm bảo đạt được hiệu năng tối ưu của đường truyền vô tuyến (tốc độ bit, độ tin cậy) với độ phức tạp cho phép. Khái niệm MIMO Tổng quan hệ thống MIMO Về cấu trúc có thể phân loại MIMO thành sơ đồ chỉ có một bộ điều chế và sơ đồ có nhiều bộ điều chế. Phân loại sơ đồ MIMO Tổng quan hệ thống MIMO Phân loại sơ đồ MIMO Tổng quan hệ thống MIMO Sơ đồ ghép kênh không gian BLAST Tổng quan hệ thống MIMO Đặc tính pha đinh vô tuyến di động và mô hình kênh MIMO Mô hình elip của Parsons và Bajwa Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO Mô hình hóa kênh vô tuyến di động Mô hình đường trễ đa nhánh Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO Đáp ứng xung kim phụ thuộc thời gian Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO Đáp ứng xung kim kênh và lấy trung bình các thành phần tán xạ Các đường truyền khả phân giải Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO Đặc tính kênh vô tuyến di động Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO Tính phụ thuộc thời gian Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO Tính phụ thuộc tần số Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO Mối quan hệ: WSSUS với khả phân giải; LTV và Doppler Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO Sơ đồ tổng quát kênh MIMO Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO Các hàm kênh MIMO Đáp ứng xung kim kênh SISO Đáp ứng xung kim kênh MIMO Đặc tính kênh vô tuyến và mô hình kênh MIMO Mô hình kênh MIMO SVD Mô hình kênh MIMO SVD SVD (Singular Value Decomposition) của ma trận kênh H Trong đó U và V là các ma trận nhất phân, “h” là chuyển vị Hermitian và Mô hình kênh MIMO SVD U.UH = UH.U = I V.VH = VH.V = I N = min(nr,nt) Mô hình kênh MIMO SVD Hiệu năng hệ thống MIMO Dung lượng kênh SISO-SIMO-MIMO Hiệu năng hệ thống MIMO §Þnh lý dung l­îng kªnh truyÒn: Dung l­îng kªnh cã ®é réng b¨ng B (Hz), bÞ nhiÔu lo¹n bëi t¹p ©m Gaussian tr¾ng céng AWGN cã mËt ®é phæ c«ng suÊt N0/2 vµ bÞ giíi h¹n b¨ng th«ng B, ®­îc cho bëi Trong ®ã P lµ c«ng suÊt ph¸t trung b×nh Dung l­îng kªnh SISO Hiệu năng hệ thống MIMO Hiệu năng hệ thống MIMO Dung l­îng kªnh SISO ®­îc viÕt l¹i Do kªnh v« tuyÕn pha®inh ngÉu nhiªn vµ thay ®æi theo thêi gian nªn dung l­îng kªnh cã thÓ ®­îc viÕt lµ H lµ biªn ®é kªnh Gausian phøc c«ng suÊt ®¬n vÞ kÝch th­íc 1x1 Hiệu năng hệ thống MIMO Dung l­îng kªnh SIMO Dung l­îng cña kªnh SIMO ®­îc c¶i thiÖn so víi kªnh SISO . ViÖc t¨ng dung l­îng do ph©n tËp kh«ng gian lµm gi¶m pha®inh vµ c¶i thiÖn SNR. Tuy nhiªn c¶i thiÖn SNR bÞ h¹n chÕ v× SNR t¨ng ë bªn trong hµm log Hiệu năng hệ thống MIMO Dung l­îng kªnh MIMO: nt anten phat vµ nr anten thu => ­u ®iÓm cña hÖ thèng MIMO vÒ dung l­îng. Khi nt=nr=N th× HHH/N tiÕn ®Õn IN v× vËy dung l­îng tiÖm cËn ®Õn Dung l­îng t¨ng tuyÕn tÝnh theo sè anten ph¸t Hiệu năng hệ thống MIMO Dung lượng kênh Hiệu năng hệ thống MIMO Hiệu năng kênh MIMO Tỷ số tín hiệu trên tạp âm Hiệu suất sử dụng phổ tần Hiệu năng hệ thống MIMO Hiệu năng hệ thống MIMO Biểu diễn SNR đầu ra và hiệu suất sử dụng phổ tần SE cho MIMO nrxnt: MMIO VBLAST kết hợp máy thu đa người dùng MIMO-VBLAST kết hợp đa người dùng 3.1. Mở đầu 3.2. Tách sóng đa người dùng cho kênh SISO 3.2.1. Mô hình hệ thống 3.2.2. Máy thu đa người dùng 3.2.2.1. Máy thu truyền thống 3.2.2.2. Máy thu giải tương quan 3.2.2.3. Máy thu MMSE 3.2.2.4. Loại bỏ nhiễu song song đa tầng MPIC 3.3. Kiến trúc không gian thời gian phân lớp chiều đứng của phòng thí nghiệm Bell: V-BLAST 3.3.1. Kiến trúc V-BLAST 3.3.2. So sánh giữa SIC và PIC 3.3.2.1. Loại bỏ nhiễu liên tiếp SIC 3.3.2.2. Loại bỏ nhiễu song song PIC 3.3.3. Ảnh hưởng của truyền lan lỗi 3.4. Tách sóng đa ngường dùng bằng V-BLAST trên MIMO 3.4.1. Mô hình hệ thống 3.4.2. Máy thu đa người dùng 3.4.2.1. Máy thu truyền thống 3.4.2.2. Máy thu giải tương quan 3.4.2.3. Máy thu MMSE 3.4.2.4. Loại bỏ nhiễu song song đa tầng MPIC 3.5. Kết luận MIMO-VBLAST kết hợp đa người dùng TÁCH SÓNG ĐA NGƯỜI DÙNG CHO KÊNH SISO Hình 3.1. Mô hình hệ thống đa người dùng trong môi trường kênh SISO MIMO-VBLAST kết hợp đa người dùng MIMO-VBLAST kết hợp đa người dùng Loại bỏ nhiễu liên tiếp SIC: Thực hiện loại bỏ nhiễu ở đầu ra của một lớp một cách liên tiếp trên mỗi lần lặp. Việc thứ tự hóa các lớp tách sóng ảnh hưởng lên hiệu năng của bộ tách sóng SIC. Trước hết, khởi tạo ma trận rỗng hóa (nulling matrix) theo chuẩn ZF và MMSE với giả thiết ước tính kênh hoàn hảo. Đối với sơ đồ được trình tự hóa, cần phải xác định giá trị lớn nhất của SNR sau tách sóng, tương ứng với việc chọn độ dài vectơ hàng của ma trận rỗng hóa G có giá trị nhỏ nhất trong mỗi lần lặp. Tín hiệu lớp đầu tiên được tách sóng với vector hàng của G xóa bỏ tín hiệu từ tất cả các anten khác: Đối với sơ đồ không được trình tự hóa, không cần phải xác định giá trị lớn nhất của SNR sau tách sóng mà chọn ngẫu nhiên vectơ hàng của ma trận rỗng hóa G. MIMO-VBLAST kết hợp đa người dùng Mô hình hệ thống MIMO-VBLAST đa người dùng 3.4. TÁCH SÓNG ĐA NGƯỜI DÙNG VỚI V-BLAST TRÊN MIMO MIMO-VBLAST kết hợp đa người dùng Cấu trúc của máy thu truyền thống cho hệ thống V-BLAST đa người dùng MIMO-VBLAST kết hợp đa người dùng Cấu trúc của bộ giải tương quan cho hệ thống đa người dùng V-BLAST MIMO-VBLAST kết hợp đa người dùng Cấu trúc của bộ tách sóng hai tầng cho hệ thống đa người dùng V-BLAST Giải thuật tách tín hiệu trong hệ thống MIMO Sơ đồ hệ thống V-BLAST Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO Mô hình mô phỏng hệ thống MIMO -VBLAST Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO Giải thuật tách sóng V-BLAST (Vertical Bell-Labs Layered Space-Time: không gian thời gian phân lớp chiều đứng của phòng thí nghiệm Bell) là một thủ tục hồi quy để lấy ra các thành phần của vectơ phát x theo trình tự dựa trên các chỉ số (k1, k2,…., knt) tương ứng với các phần tử của x. Như vậy, (k1, k2,…., knt) là hoán vị của (1,2,…., nt). Trong V-BLAST, hoán vị này được thực hiện phụ thuộc vào H (với giả thiết rằng máy thu biết được nó) chứ không phụ thuộc vào y. Tách sóng ghép kênh không gian V-BLAST: Tách các luồng số liệu bởi ZF hoặc MMSE với OSIC Các bước của V-BLAST Ordering: choosing the best channel Nulling: using ZF or MMSE Slicing: making a symbol decision Canceling: subtracting the detected symbol Iteration: going to the first step to detect the next symbol Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO Tách sóng ghép kênh không gian Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO Tách sóng ghép kênh không gian Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO Tách sóng phụ thuộc rất nhiều vào việc chọn tính các vectơ rỗng Wki Xóa được thực hiện bằng cách trọng số hóa tuyến tính các tín hiệu thu sao cho thỏa mãn tiêu chuẩn hiệu năng như MMSE hoặc ZF...Với ZF, thực hiện xóa không ZF bằng cách chọn các vectơ trọng số Wi, i=1,2,...,nt sao cho: Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO Máy thu cưỡng bức không (ZF: zero forcing) Trong đó Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO Máy thu ước tính sai số bình phương nhỏ nhất (LLSE: Linear Least Squares Estimation) hay MMSE (Minimum mean square error) Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO Giải thuật ZF: Với: Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO Giải thuật V-BLST/ZF: Các bước của V-BLAST Ordering: choosing the best channel Nulling: using ZF or MMSE Slicing: making a symbol decision Canceling: subtracting the detected symbol Iteration: going to the first step to detect the next symbol Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO Giải thuật V-BLST/ZF: Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO Giải thuật LLSE: Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO Giải thuật V-BLAST/LLSE: Các bước của V-BLAST Ordering: choosing the best channel Nulling: using ZF or MMSE Slicing: making a symbol decision Canceling: subtracting the detected symbol Iteration: going to the first step to detect the next symbol Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO Giải thuật V-BLAST/LLSE: Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO Giải thuật tách sóng V-BLAST/MAP V-BLAST/MAP là giải thuật kết hợp các tính năng của V-BLAST và các quy tắc của MAP, giải thuật sử dụng cấu trúc phân lớp của V-BLAST nhưng đồng thời sử dụng chiến lược thứ tự xử lý kênh dựa trên quy tắc MAP trong mỗi lớp của V-BLAST (vòng lặp i) thực hiện xắp xếp thứ tự xử lý kênh dựa trên nguyên lý MAP. Lưu ý việc hoán vị chỉ số (k1,k2,...,knt) trong V-BLAST/MAP phụ thuộc vào cả H và y, không như V-BLAST/ZF và V-BLAST/LLSE chỉ phụ thuộc vào H : Giải thuật V-BLAST/ZF/MAP. Giải thuật V-BLAST/LLSE/MAP. Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO Giải thuật MAP j là chỉ số của các phần tử {1,2,…,nt} Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO Giải thuật V-BLAST/ZF/MAP. Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO Giải thuật tách ký hiệu cho kênh MIMO Giải thuật V-BLAST/LLSE/MAP. Kết quả mô phỏng Kết quả mô phỏng Kết quả mô phỏng Kết quả mô phỏng Kết quả mô phỏng Kết quả mô phỏng Kết quả mô phỏng Kết quả mô phỏng Kết luận Tổng quan hệ thống MIMO: Mô hình hệ thống và phân loại Mô hình kênh MIMO. Nghiên cứu MIMO-V-BLAST kết hợp với máy thu đa người dùng. Nghiên cứu các giải thuật tách tín hiệu trong hệ thống MIMO Giải thuật: V-BLAST/ZF Giải thuật: V-BLAST/LLSE Giải thuật: V-BLAST/ZF/MAP. Giải thuật: V-BLAST/LLSE/MAP. Xây dựng chương trình mô phỏng kênh MIMO, và tách sóng MIMO-V-BLAST gồm: V-BLAST/ZF; V-BLAST/LLSE; V-BLAST/ZF/MAP; V-LAST/LLSE/MAP. Kiến nghị ứng dụng chương trình mô phỏng vào nghiên cứu khoa học & đào tạo ở Học viện. Kết quả mô phỏng Mô hình máy phát Mô hình kênh MIMO SVD Mô hình kênh MIMO SVD Mô hình tạp âm và nhiễu Mô hình máy thu Mô hình kênh MIMO SVD Mô hình kênh MIMO SVD Mô hình máy thu